RU2292516C2

RU2292516C2 - Combustion chamber block and method for cooling of venturi pipe in combustion chamber block

Info

Publication number: RU2292516C2
Application number: RU2004117790/06A
Authority: RU
Inventors: Роберт Дж. КРЭФТ (US); Роберт Дж. КРЭФТ; Винсент С. МАРТЛИНГ (US); Винсент С. МАРТЛИНГ; Брайан Р. МЭК (US); Брайан Р. МЭК; Марк А. МИННИЧ (US); Марк А. МИННИЧ
Original assignee: Пауэ Системс Мфг. Ллс
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2007-01-27
Also published as: RU2004117790A

Abstract

FIELD: heat engineering.

SUBSTANCE: combustion chamber block designed for employment with gas turbine engine comprises premixing chamber adapted for mixing of fuel and air, and combustion chamber adapted for combustion of fuel and air, said chamber communicating with one another through Venturi pipe. Combustion chamber and Venturi pipe are surrounded with wall so that cooling air passage is defined therebetween. Each of said wall and said mixing chamber wall is equipped with at least one cooling air aperture. Cooling air passage at downstream end of combustion chamber is closed with blocking ring preventing overflow of cooling air available within this portion of said passage directly into combustion chamber, and is in fluid communication with at least one opening provided through mixing chamber wall. Cooling air is heated as it flows over combustion chamber and Venturi pipe and is then directed back into premixing chamber. Such construction of combustion chamber block allows NO_x outbursts to be reduced during combustion process.

EFFECT: increased efficiency and improved environment control.

6 cl, 6 dwg

Description

Область применения изобретенияThe scope of the invention

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию устройства и способа охлаждения камеры сгорания и трубки Вентури, предназначенных для использования в газотурбинном двигателе, для снижения выбросов оксида азота. Более конкретно, в изобретении раскрыто устройство для охлаждения камеры сгорания и трубки Вентури, позволяющее обеспечить снижение выбросов оксида азота за счет введения в камеру предварительного смешения предварительно подогретого охлаждающего воздуха, предназначенного для использования в процессе горения.The present invention relates generally to an apparatus and method for cooling a combustion chamber and a venturi for use in a gas turbine engine to reduce nitric oxide emissions. More specifically, the invention discloses a device for cooling the combustion chamber and the venturi, which allows to reduce emissions of nitric oxide by introducing into the premixing chamber pre-heated cooling air for use in the combustion process.

Известный уровень техникиPrior art

Настоящее изобретение может быть использовано в сухом газотурбинном двигателе с малыми выбросами NOx, который обычно используют для приведения в движение электрических генераторов. Каждый блок камеры сгорания содержит расположенную выше по течению камеру предварительного смешения топлива и воздуха и расположенную ниже по течению камеру сгорания, разделенные при помощи трубки Вентури, имеющей узкую горловину, которая действует в качестве защиты от пламени. Настоящее изобретение направлено на улучшение охлаждения камеры сгорания, которая содержит стенки трубки Вентури, и одновременно позволяет снизить выбросы оксида азота.The present invention can be used in a dry low NOx gas turbine engine, which is commonly used to drive electric generators. Each block of the combustion chamber contains an upstream chamber for preliminary mixing of fuel and air and a downstream combustion chamber, separated by a venturi with a narrow neck, which acts as a protection against flame. The present invention is directed to improving the cooling of a combustion chamber, which contains the walls of a venturi, while at the same time reducing emissions of nitric oxide.

В патенте США No.4292801 раскрыт блок камеры сгорания газовой турбины, который содержит расположенную выше по течению камеру предварительного смешения топлива и воздуха и расположенную ниже по течению камеру сгорания. Возникает проблема, если проход (канал) для охлаждающего воздуха, вводимого в камеру сгорания, имеет выпуск, расположенный слишком близко от горловины трубки Вентури. Трубка Вентури создает разделительную зону ниже по течению от расходящегося участка, которая создает разность давлений, в результате чего всасывается охлаждающий воздух, который может вызывать нестабильности горения. Однако при этом очень важно, чтобы стенки трубки Вентури и стенка камеры сгорания охлаждались соответствующим образом, так как в камере сгорания развиваются высокие температуры.U.S. Pat. No. 4,292,801 discloses a gas turbine combustion chamber unit that comprises an upstream premixing chamber of fuel and air and a downstream combustion chamber. A problem arises if the passage (channel) for the cooling air introduced into the combustion chamber has an outlet located too close to the neck of the venturi. The venturi creates a dividing zone downstream of the diverging section, which creates a pressure difference, as a result of which cooling air is drawn in, which can cause combustion instabilities. However, it is very important that the walls of the venturi and the wall of the combustion chamber are cooled accordingly, as high temperatures develop in the combustion chamber.

Настоящее изобретение позволяет решить проблему, о которой говорится в указанных патентах, так как контур охлаждения для трубки Вентури устроен таким образом, что охлаждающий воздух больше не выходит по оси в хвостовой части трубки Вентури и ниже по течению от горловины трубки Вентури в зону горения. По сути, охлаждающий воздух течет в противоположном направлении, таким образом, что воздух, который используют для охлаждения камеры сгорания и трубки Вентури, принудительно вводится в камеру предварительного смешения, расположенную выше по течению от трубки Вентури, что повышает общую эффективность процесса горения, при одновременном исключении любой рециркуляции охлаждающего воздуха в разделительной зоне в задней части трубки Вентури, что обсуждается в патенте США No.5117636.The present invention solves the problem referred to in these patents, since the cooling circuit for the venturi is designed so that the cooling air no longer extends axially in the rear of the venturi and downstream of the neck of the venturi to the combustion zone. In fact, cooling air flows in the opposite direction, so that the air used to cool the combustion chamber and the venturi is forced into the pre-mixing chamber located upstream of the venturi, which increases the overall efficiency of the combustion process, while the exclusion of any recirculation of cooling air in the separation zone at the rear of the venturi, which is discussed in US Pat. No. 5117636.

Хорошо известно, что образование NOx является функцией температуры пламени, продолжительности пребывания и соотношения эквивалентности. Уже было показано, что более низкие температуры пламени и более короткие продолжительности пребывания пламени при более высокой температуре приводят к снижению выбросов оксида азота. Также было показано, что содержание оксида азота является функцией соотношения эквивалентности и стехиометрии топливовоздушной смеси, причем требуется очень низкое соотношение компонентов топливовоздушной смеси для снижения выбросов NOx. Однако снижение соотношения компонентов топливовоздушной смеси не проходит безболезненно, в первую очередь, за счет возможности "гашения". "Гашением" называют ситуацию, при которой не удается поддерживать пламя по причине его нестабильности. Такая ситуация является обычной, когда стехиометрия топливовоздушной смеси снижается до значения чуть выше предела обедненной воспламеняемости. За счет предварительного подогрева воздуха в камере предварительного смешения снижается температура "гашения" пламени, что обеспечивает стабильное горение при более низкой температуре и, следовательно, позволяет снизить выбросы NOx. Следовательно, введение предварительно подогретого воздуха является идеальным решением для приведения соотношения компонентов топливовоздушной смеси к пределу крайнего обеднения, для того, чтобы снизить выбросы NOx, однако при поддержании стабильного пламени.It is well known that NOx production is a function of flame temperature, residence time and equivalence ratio. It has already been shown that lower flame temperatures and shorter flame residence times at higher temperatures result in lower nitric oxide emissions. It has also been shown that nitric oxide is a function of the equivalence to stoichiometry ratio of the air-fuel mixture, and a very low air-fuel mixture ratio is required to reduce NOx emissions. However, the reduction in the ratio of the components of the air-fuel mixture does not pass painlessly, primarily due to the possibility of "extinction". “Extinguishing” refers to a situation in which the flame cannot be maintained due to its instability. This situation is common when the stoichiometry of the air-fuel mixture decreases to a value slightly above the lean flammability limit. By preheating the air in the pre-mixing chamber, the flame-extinguishing temperature is reduced, which ensures stable combustion at a lower temperature and, therefore, allows to reduce NOx emissions. Therefore, the introduction of preheated air is an ideal solution to bring the ratio of the components of the air-fuel mixture to the limit of extreme depletion, in order to reduce NOx emissions, however, while maintaining a stable flame.

В двухсекционной, двухрежимной системе газовой турбины вторичный блок камеры сгорания содержит узел трубки Вентури для стабилизации пламени в зоне горения. Топливо (природный газ или жидкое топливо) и воздух предварительно перемешиваются в камере предварительного смешения блока камеры сгорания, расположенной выше по течению от трубки Вентури, и топливовоздушная смесь воспламеняется или сгорает ниже по течению от горловины трубки Вентури. Узел трубки Вентури ускоряет течение топливовоздушной смеси через горловину и идеально предохраняет пламя от возврата назад в область предварительного смешения. Область удержания пламени после (позади) горловины в трубке Вентури является необходимой для непрерывного и стабильного горения топлива. Стенка камеры сгорания и стенки трубки Вентури до и после области узкой горловины, нагреваются за счет пламени и поэтому их следует охлаждать. Раньше это делали за счет принудительного охлаждения задней стороны стенки камеры сгорания и стенок трубки Вентури, когда охлаждающий воздух выходит и направляется в камеру сгорания, ниже по течению от трубки Вентури.In a two-section, two-mode gas turbine system, the secondary unit of the combustion chamber contains a venturi assembly to stabilize the flame in the combustion zone. Fuel (natural gas or liquid fuel) and air are pre-mixed in the pre-mixing chamber of the combustion chamber unit located upstream of the venturi, and the air-fuel mixture ignites or burns downstream of the neck of the venturi. The venturi assembly accelerates the flow of air-fuel mixture through the neck and ideally prevents the flame from returning back to the premixing area. The area of flame retention after (behind) the neck in the venturi is necessary for continuous and stable combustion of fuel. The wall of the combustion chamber and the walls of the venturi before and after the narrow neck region are heated by the flame and should therefore be cooled. This was previously done by forced cooling of the rear side of the wall of the combustion chamber and the walls of the venturi, when cooling air exits and is directed to the combustion chamber, downstream of the venturi.

Настоящее изобретение позволяет решить проблемы, возникающие по причине наличия такого типа прохода для воздуха охлаждения, за счет полного исключения сброса охлаждающего воздуха в зону сгорания ниже по течению от трубки Вентури. В соответствии с настоящим изобретением никакой воздушный поток охлаждающего воздуха из трубки Вентури не поступает в расположенную ниже по течению камеру сгорания. В это же время, в соответствии с настоящим изобретением, охлаждающий воздух, который протекает через проход для воздуха охлаждения вдоль стенки камеры сгорания и стенок трубки Вентури и становится подогретым, поступает в охлаждающий воздух выше по течению от трубки Вентури (сходящаяся стенка) в камере предварительного смешения. Это, в свою очередь, повышает общую эффективность снижения выбросов NOx.The present invention solves the problems arising from the presence of this type of passage for cooling air, due to the complete elimination of the discharge of cooling air into the combustion zone downstream of the venturi. In accordance with the present invention, no airflow of cooling air from the venturi enters the downstream combustion chamber. At the same time, in accordance with the present invention, cooling air that flows through the cooling air passage along the wall of the combustion chamber and the walls of the venturi and becomes warmed up, enters the cooling air upstream of the venturi (converging wall) in the pre-chamber blending. This, in turn, increases the overall efficiency of reducing NOx emissions.

Краткое изложение изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

В соответствии с настоящим изобретением предлагается усовершенствованное устройство охлаждения стенки камеры сгорания, имеющее защищающую от пламени трубку Вентури, причем устройство предназначено для использования в газотурбинных двигателях с низкими выбросами оксида азота, которые содержат блок камеры сгорания газовой турбины, имеющий камеру предварительного смешения, вторичную камеру сгорания и трубку Вентури, причем проход для охлаждающего воздуха концентрически окружает указанные стенки трубки Вентури и указанную стенку камеры сгорания. Множество отверстий для впуска охлаждающего воздуха в указанный канал для охлаждающего воздуха расположены в непосредственной близости от конца камеры сгорания.In accordance with the present invention, there is provided an improved combustion chamber wall cooling device having a flameproof venturi, the device is intended for use in gas turbine engines with low nitrogen oxide emissions, which comprise a gas turbine combustion chamber unit having a preliminary mixing chamber, a secondary combustion chamber and a venturi, wherein the cooling air passage concentrically surrounds said walls of the venturi and said chamber wall fumes of combustion. A plurality of cooling air inlet openings to said cooling air channel are located in close proximity to the end of the combustion chamber.

Собственно стенка камеры сгорания является главным образом цилиндрической и содержит множество выступающих ребер на внешней поверхности, которые создают дополнительную площадь поверхности для взаимодействия с потоком охлаждающего воздуха, протекающим поверх цилиндрической камеры сгорания. Стенки трубки Вентури соединены со стенкой камеры сгорания и содержат пару в виде сходящейся и расходящейся стенок.The actual wall of the combustion chamber is mainly cylindrical and contains many protruding ribs on the outer surface, which create an additional surface area for interaction with the flow of cooling air flowing over the cylindrical combustion chamber. The walls of the venturi are connected to the wall of the combustion chamber and contain a pair in the form of converging and diverging walls.

Охлаждающий воздух проходит вокруг не только цилиндрической стенки камеры сгорания, но и обеих стенок, которые образуют трубку Вентури, обеспечивая поступление охлаждающего воздуха как в камеру сгорания, так и в трубку Вентури. Когда охлаждающий воздух протекает выше по течению в направлении горловины, его температура повышается.Cooling air passes around not only the cylindrical wall of the combustion chamber, but also both walls that form the venturi, providing cooling air to both the combustion chamber and the venturi. When cooling air flows upstream towards the neck, its temperature rises.

Проход для охлаждающего воздуха имеет дополнительную цилиндрическую стенку, отдельную от стенки камеры сгорания, которая концентрически расположена вокруг стенки камеры сгорания, и пару конических стенок, которые концентрически расположены вокруг стенок трубки Вентури аналогичной конфигурации, что позволяет образовать законченный кольцевой проход для протекания охлаждающего воздуха вокруг всей камеры сгорания и всей трубки Вентури. Расположенный ниже по течению конец камеры сгорания и впускное отверстие прохода для охлаждающего воздуха разделены барьерным (блокировочным) кольцом, так что никакой охлаждающий воздух, находящийся в проходе, не может протекать ниже по течению в камеру сгорания, поступать в зону, расположенную ниже по течению от камеры сгорания, или проходить в разделительную область трубки Вентури. По сути, выпуск охлаждающего воздуха расположен выше по течению от трубки Вентури, и охлаждающий воздух протекает в противоположном направлении относительно потока газообразных продуктов сгорания, сначала проходя мимо стенки камеры сгорания и затем мимо стенок трубки Вентури. Подогретый охлаждающий воздух в конечном счете поступает в камеру предварительного смешения, что повышает эффективность системы и снижает выбросы оксида азота при поддержании стабильного пламени.The cooling air passage has an additional cylindrical wall separate from the wall of the combustion chamber, which is concentrically arranged around the wall of the combustion chamber, and a pair of conical walls, which are concentrically arranged around the walls of the Venturi tube of a similar configuration, which allows the formation of a complete annular passage for the flow of cooling air around the entire combustion chamber and the entire venturi. The downstream end of the combustion chamber and the inlet of the cooling air passage are separated by a barrier (blocking) ring, so that no cooling air in the passage can flow downstream into the combustion chamber and enter a zone located downstream of combustion chamber, or pass into the separation region of the venturi. In fact, the cooling air outlet is located upstream of the venturi, and the cooling air flows in the opposite direction relative to the flow of gaseous products of combustion, first passing by the wall of the combustion chamber and then past the walls of the venturi. Heated cooling air ultimately enters the premixing chamber, which improves the efficiency of the system and reduces nitric oxide emissions while maintaining a stable flame.

Источником охлаждающего воздуха является турбокомпрессор, который прогоняет воздух под высоким давлением вокруг всего корпуса блока камеры сгорания в направлении выше по течению относительно процесса горения. Воздух под высоким давлением принудительно циркулирует вокруг корпуса блока камеры сгорания и подается через множество отверстий для впуска воздуха в проход для охлаждающего воздуха, в непосредственной близости от расположенного ниже по течению конца камеры сгорания, причем охлаждающий воздух протекает вдоль внешней стенки блока камеры сгорания в направлении трубки Вентури, проходит через горловину трубки Вентури и проходит мимо передней кромки стенки трубки Вентури, где он выходит через выпуск прохода для охлаждающего воздуха и поступает в канал, который направляет воздух через другие группы впускных отверстий в камеру предварительного смешения, выше по течению от горловины трубки Вентури. При таком режиме течения исключается возможность того, что охлаждающий воздух будет создавать помехи процессу горения, который протекает во вторичной камере сгорания, так как отсутствует выпуск или отверстие, которое может взаимодействовать с собственно вторичной камерой сгорания. Кроме того, так как охлаждающий воздух нагревается в проходе, когда он течет в направлении трубки Вентури и поступает на впуск камеры предварительного смешения, расположенной выше по течению от трубки Вентури, то подогретый воздух содействует повышению эффективности блока камеры сгорания и снижению загрязняющих выбросов.The source of cooling air is a turbocharger that drives high pressure air around the entire body of the combustion chamber unit in an upstream direction relative to the combustion process. High pressure air is forcedly circulated around the housing of the combustion chamber unit and supplied through a plurality of air inlet openings to the cooling air passage, in close proximity to the downstream end of the combustion chamber, the cooling air flowing along the outer wall of the combustion chamber unit in the direction of the tube Venturi, passes through the neck of the venturi and passes by the front edge of the wall of the venturi, where it exits through the outlet of the cooling air passage and blunts into a channel that directs air through other groups of inlets into the premixing chamber, upstream of the neck of the venturi. With this flow regime, the possibility that cooling air will interfere with the combustion process that occurs in the secondary combustion chamber is eliminated, since there is no outlet or opening that can interact with the secondary combustion chamber itself. In addition, since the cooling air is heated in the passage when it flows in the direction of the venturi and enters the inlet of the pre-mixing chamber located upstream of the venturi, the heated air helps to increase the efficiency of the combustion chamber unit and reduce pollutant emissions.

Внешний кожух блока камеры сгорания содержит кольцевую бандажную камеру, в которую поступает охлаждающий воздух через выпускные отверстия, расположенные выше по течению от трубки Вентури. Затем воздух направляется далее выше по течению через множество отверстий для впуска воздуха, ведущих в камеру предварительного смешения, что позволяет подогретому охлаждающему воздуху протекать из прохода для охлаждающего воздуха у переднего конца стенки трубки Вентури в область предварительного смешения.The outer casing of the combustion chamber unit contains an annular bandage chamber into which cooling air enters through exhaust openings located upstream of the venturi. Then, air is directed further upstream through a plurality of air inlet openings leading to the pre-mixing chamber, which allows heated cooling air to flow from the cooling air passage at the front end of the venturi wall into the pre-mixing region.

Стенка камеры сгорания содержит множество выступающих колец (ребер), которые позволяют повысить эффективность теплопередачи от указанной стенки в воздух, так как создается большая площадь поверхности для контакта с воздухом. Несмотря на то что в соответствии с настоящим изобретением используют отдельную концентрическую стенку для образования прохода для охлаждающего воздуха вокруг камеры сгорания и трубки Вентури, в альтернативном варианте сама внешняя стенка блока камеры сгорания может выполнять эту функцию.The wall of the combustion chamber contains many protruding rings (ribs), which allow to increase the efficiency of heat transfer from the specified wall to the air, as it creates a large surface area for contact with air. Although a separate concentric wall is used in accordance with the present invention to form a passage for cooling air around the combustion chamber and the venturi, in an alternative embodiment, the outer wall of the combustion chamber unit itself can perform this function.

Задачей настоящего изобретения является снижение выбросов оксида азота (NOx) в системе блока камеры сгорания газовой турбины, однако при поддержании стабильного пламени в желательных рабочих условиях и обеспечении воздушного охлаждения камеры сгорания и трубки Вентури.An object of the present invention is to reduce emissions of nitric oxide (NOx) in a gas turbine combustion chamber unit system, however, while maintaining a stable flame under desired operating conditions and providing air cooling of the combustion chamber and the venturi.

Другой задачей настоящего изобретения является создание системы сгорания с низкими выбросами, в которой используют трубку Вентури для множества применений охлаждающего воздуха в камере сгорания и в трубке Вентури.Another object of the present invention is to provide a low emission combustion system in which a venturi is used for many applications of cooling air in a combustion chamber and in a venturi.

Еще одной задачей настоящего изобретения является снижение температуры "гашения" пламени в блоке камеры сгорания за счет использования предварительно подогретого воздуха в процессе предварительного перемешивания, причем подогрев обеспечивается за счет охлаждения камеры сгорания и трубки Вентури.Another objective of the present invention is to reduce the temperature of the "extinguishing" of the flame in the block of the combustion chamber due to the use of preheated air in the pre-mixing process, and the heating is provided by cooling the combustion chamber and the venturi.

Указанные ранее и другие задачи изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.The foregoing and other objects of the invention will be more apparent from the following detailed description, given by way of example, not of a restrictive nature and given with reference to the accompanying drawings.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 показан вид сбоку в разрезе системы сгорания газовой турбины в соответствии с известным уровнем техники, в которой проход для охлаждающего воздуха идет вокруг камеры сгорания и открыт в нее.Figure 1 shows a side view in section of a combustion system of a gas turbine in accordance with the prior art, in which the passage for cooling air goes around the combustion chamber and is open into it.

На фиг.2 показан вид в перспективе системы сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением.Figure 2 shows a perspective view of a combustion system of a gas turbine in accordance with the present invention.

На фиг.3 показан вид сбоку в разрезе системы сгорания газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением.Figure 3 shows a side view in section of a combustion system of a gas turbine in accordance with the present invention.

На фиг.4 показана часть (вырыв) поперечного сечения камеры сгорания и трубки Вентури, а также участки камеры предварительного смешения, выполненные в соответствии с настоящим изобретением.Figure 4 shows part (tear) of the cross section of the combustion chamber and the venturi, as well as sections of the preliminary mixing chamber, made in accordance with the present invention.

На фиг.5 показана часть (вырыв) поперечного сечения прохода для охлаждающего воздуха у расположенного выше по течению конца трубки Вентури в кольцевой бандажной камере для приема охлаждающего воздуха, предназначенной для введения воздуха в камеру предварительного смешения.Figure 5 shows a part (tearing) of the cross section of the cooling air passage at the upstream end of the venturi in the annular retaining chamber for receiving cooling air for introducing air into the premixing chamber.

На фиг.6 показана с увеличением часть (вырыв) поперечного сечения кормового (заднего) конца стенки камеры сгорания.Figure 6 shows with increasing part (tear) of the cross section of the aft (rear) end of the wall of the combustion chamber.

Подробное описание предпочтительного варианта изобретенияDetailed Description of a Preferred Embodiment

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показан хорошо известный блок 110 камеры сгорания газовой турбины. Блок 110 камеры сгорания содержит трубку Вентури 111, камеру 112 предварительного смешения, предназначенную для предварительного смешения воздуха и топлива, камеру сгорания 113 и головку 115 камеры сгорания.Let us turn now to the consideration of figure 1, which shows the well-known block 110 of the combustion chamber of a gas turbine. The unit 110 of the combustion chamber contains a venturi 111, a pre-mixing chamber 112 for pre-mixing air and fuel, a combustion chamber 113 and a head 115 of the combustion chamber.

Можно видеть, что в этом известном блоке камеры сгорания охлаждающий воздух, показанный стрелками, протекает под давлением вдоль внешней стенки трубки Вентури 111. Охлаждающий воздух входит в систему через множество местоположений, распределенных вдоль блока 110 камеры сгорания. Порция воздуха входит через отверстия 120, в то время как остальной воздух проходит вдоль внешней оболочки. Охлаждающий воздух поступает под давлением от источника в виде турбокомпрессора и входит в систему через множество отверстий 121. Как это показано на фиг.1, охлаждающий воздух соударяется со сходящейся и расходящейся стенками 127 трубки Вентури 111, которые имеют коническую форму, и охлаждает их, и проходит ниже по течению через цилиндрический проход 114, охлаждая стенки цилиндрической камеры сгорания 113. Охлаждающий воздух выходит вдоль стенки камеры сгорания через кольцевое выпускное отверстие 125. Этот воздух затем выпускают в идущий ниже по течению процесс горения. Порция охлаждающего воздуха также входит в зону предварительного смешения через отверстия 126. Остальной охлаждающий воздух идет к переднему концу камеры и входит в нее через отверстия 123 и головку 115. Порция охлаждающего воздуха, которая не входит через отверстия 123, поступает в область 124 и перемешивается с газом и топливом. В патенте США No.5117636 раскрыта конструкция известной трубки Вентури, показанной на фиг.1. Обсуждаются проблемы, связанные с охлаждающим воздухом, выходящим в непосредственной близости от трубки Вентури 111 через выпускное отверстие 125, причем воздух препятствует процессу горения и смешивания за счет создания описанной в этом патенте так называемой разделительной зоны.It can be seen that in this known block of the combustion chamber, the cooling air shown by arrows flows under pressure along the outer wall of the venturi 111. The cooling air enters the system through a plurality of locations distributed along the block 110 of the combustion chamber. A portion of air enters through openings 120, while the rest of the air passes along the outer shell. The cooling air flows under pressure from a turbocharger source and enters the system through a plurality of openings 121. As shown in FIG. 1, cooling air collides with and diverges walls 127 of the venturi 111, which are conical, and cools them, and passes downstream through the cylindrical passage 114, cooling the walls of the cylindrical combustion chamber 113. Cooling air exits along the wall of the combustion chamber through the annular outlet 125. This air is then released into the downstream echeniyu combustion process. A portion of the cooling air also enters the pre-mixing zone through the openings 126. The remaining cooling air goes to the front end of the chamber and enters it through the openings 123 and the head 115. A portion of the cooling air, which does not enter through the openings 123, enters the region 124 and is mixed with gas and fuel. US Pat. No. 5,117,636 discloses a structure of the known venturi shown in FIG. The problems associated with cooling air leaving in the immediate vicinity of the venturi 111 through the outlet 125 are discussed, and the air interferes with the combustion and mixing process by creating the so-called separation zone described in this patent.

Настоящее изобретение позволяет полностью решить все проблемы, возникающие в соответствии с патентом США No.5117636.The present invention allows to completely solve all the problems arising in accordance with US patent No.5117636.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2 и 3, на которых показан блок 10 камеры сгорания газовой турбины, имеющий трубку Вентури 11.We now turn to the consideration of figure 2 and 3, which shows the block 10 of the combustion chamber of a gas turbine having a venturi 11.

Трубка Вентури 11 содержит цилиндрический участок, который образует камеру сгорания 13, и имеет образованные в виде единого целого стенки трубки Вентури, которые сходятся и расходятся в направлении ниже по течению, образуя кольцевую или круговую узкую горловину 11а. Задачей трубки Вентури и узкой горловины 11а является предотвращение возврата назад пламени от камеры сгорания 13.The venturi 11 contains a cylindrical section that forms the combustion chamber 13, and has a venturi formed in the form of a single wall, which converge and diverge in the downstream direction, forming an annular or circular narrow neck 11a. The objective of the venturi and the narrow neck 11a is to prevent the flame back from the combustion chamber 13.

Камера 12 представляет собой камеру предварительного смешения, в которой происходит перемешивание воздуха и топлива и подача смеси под давлением в направлении ниже по течению через горловину трубки Вентури 11а в камеру сгорания 13.Chamber 12 is a pre-mixing chamber in which air and fuel are mixed and the mixture is supplied under pressure in a direction downstream through the neck of the venturi 11a into the combustion chamber 13.

Концентрическая, частично цилиндрическая стенка 11b окружает трубку Вентури 11, при этом образуется воздушный проход (канал) 14 между трубкой Вентури 11 и концентрической стенкой 11b, который позволяет охлаждающему воздуху проходить вдоль внешней поверхности трубки Вентури 11 для охлаждения.A concentric, partially cylindrical wall 11b surrounds the venturi 11, thereby creating an air passage (channel) 14 between the venturi 11 and the concentric wall 11b, which allows cooling air to pass along the outer surface of the venturi 11 for cooling.

Снаружи блок камеры сгорания 10 заключен в кожух (не показан) и содержит воздух под давлением, который движется выше по течению в направлении зоны предварительного смешения 12, причем воздух поступает от турбокомпрессора, создающего очень высокое давление воздуха. Проход для охлаждающего воздуха 14 имеет отверстия 27 для впуска воздуха, которые позволяют воздуху под высоким давлением, окружающему блок камеры сгорания, входить через отверстия 27 и поступать в первый участок 45 канала 14, который окружает трубку Вентури 11. Охлаждающий воздух проходит вдоль трубки Вентури 11, проходя мимо сходящейся и расходящейся стенок трубки Вентури и через горловину 11а трубки Вентури. Предварительно подогретый охлаждающий воздух выходит через выпускные отверстия 28 в кольцевую бандажную камеру 16. В блоке камеры сгорания используется охлаждающий воздух, который был подогрет и поступает в камеру предварительного смешения 12 через отверстия 29 и 22. Детали показаны на фиг.5 и 6. Следует иметь в виду, что подогретый воздух, который ранее сразу использовали для охлаждения, теперь вводится в камеру предварительного смешения, выше по течению от сходящейся стенки трубки Вентури и выше по течению от горловины трубки Вентури 11а. Использование предварительно подогретого воздуха приводит соотношение компонентов топливовоздушной смеси к пределу обеднения, чтобы обеспечить снижение выбросов NOx, однако при поддержании стабильного пламени.Outside, the unit of the combustion chamber 10 is enclosed in a casing (not shown) and contains air under pressure, which moves upstream in the direction of the pre-mixing zone 12, the air coming from a turbocharger that creates very high air pressure. The cooling air passage 14 has air inlet openings 27 that allow high-pressure air surrounding the combustion chamber unit to enter through the openings 27 and enter the first portion 45 of the channel 14 that surrounds the venturi 11. The cooling air passes along the venturi 11 passing by the converging and diverging walls of the venturi and through the neck 11a of the venturi. Preheated cooling air exits through the exhaust openings 28 into the annular retaining chamber 16. In the combustion chamber unit, cooling air is used, which was heated and enters the pre-mixing chamber 12 through openings 29 and 22. Details are shown in FIGS. 5 and 6. It should be in view of the fact that the heated air, which was previously immediately used for cooling, is now introduced into the preliminary mixing chamber, upstream of the converging wall of the venturi and upstream of the neck of the venturi 11a. The use of preheated air brings the ratio of the air-fuel mixture components to the depletion limit in order to reduce NOx emissions, however, while maintaining a stable flame.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4, на которой показан проход 14 для охлаждающего воздуха, который содержит множество распорок 14а, которые отделяют трубку Вентури 11 от стенки 11b. Бандажная стенка 16 определяет (задает) радиально внешнюю границу второго участка 46 канала 14 и создает главным образом кольцевую камеру, которая позволяет внешнему воздуху под давлением и выходящему охлаждающему воздуху поступать в камеру предварительного смешения 12. На расположенном ниже по течению конце камеры сгорания 13, образованном при помощи кольцевого кормового конца трубки Вентури 11, расположено кольцевое воздушное блокировочное кольцо 40, которое предотвращает любую утечку охлаждающего воздуха в направлении ниже по течению в камеру сгорания. Это позволяет смягчить все проблемы горения, вызванные охлаждающим воздухом, которые описаны в известных публикациях и обсуждались выше.Referring now to FIG. 4, there is shown a passage 14 for cooling air, which comprises a plurality of spacers 14a that separate the venturi 11 from the wall 11b. The retaining wall 16 defines (sets) the radially external boundary of the second portion 46 of the channel 14 and creates mainly an annular chamber, which allows external air under pressure and exhaust cooling air to enter the premixing chamber 12. At the downstream end of the combustion chamber 13 formed using the annular aft end of the venturi 11, an annular air lock ring 40 is located which prevents any leakage of cooling air in the downstream direction to amer of combustion. This allows you to mitigate all the combustion problems caused by cooling air, which are described in well-known publications and discussed above.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.5, на которой показан воздушный канал 14, который идет вдоль секции трубки Вентури, имеющей горловину На и сходящуюся и расходящуюся стенки, через которые проходит охлаждающий воздух и выходит через отверстия 28 и поступает в воздушную камеру, образованную при помощи бандажной стенки 16. Дополнительный воздух под более высоким давлением входит через отверстия 32 и выталкивает воздух, который содержит теперь подогретый охлаждающий воздух в канале 14, через отверстия 22 и 29 в камеру предварительного смешения 12.We now turn to the consideration of figure 5, which shows the air channel 14, which runs along the section of the venturi, with the neck On and converging and diverging walls through which cooling air passes and exits through openings 28 and enters the air chamber formed by the retaining wall 16. Additional air at higher pressure enters through the openings 32 and pushes the air, which now contains heated cooling air in the channel 14, through the openings 22 and 29 into the premix chamber 12.

На фиг.6 показан участок кормового конца камеры сгорания 13 и конца трубки Вентури 11, который содержит блокировочное кольцо 40, причем это кольцо герметично закреплено вокруг всего кормового участка трубки Вентури 11. Охлаждающий воздух, который входит в канал 14, не может проходить ни в один из участков камеры сгорания 13. Следует иметь в виду, что некоторая часть воздуха может поступать в заднюю стенку камеры сгорания 13 через отверстия 30-31, которые расположены вокруг наружной стороны блока камеры сгорания 10, что необходимо для охлаждения кормового конца блока камеры сгорания.Figure 6 shows a portion of the aft end of the combustion chamber 13 and the end of the venturi 11, which contains a locking ring 40, and this ring is hermetically fixed around the entire aft portion of the venturi 11. The cooling air that enters the channel 14 cannot pass one of the sections of the combustion chamber 13. It should be borne in mind that some of the air can enter the rear wall of the combustion chamber 13 through holes 30-31, which are located around the outer side of the block of the combustion chamber 10, which is necessary for cooling the feed th end of the combustion chamber block.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ улучшенного охлаждения камеры сгорания и трубки Вентури, в соответствии с которым воздух, использованный для охлаждения, может повышать эффективность собственно процесса горения и обеспечивать снижение выбросов NOx. Что касается течения воздуха, то охлаждающий воздух входит во внешний канал 14 трубки Вентури через множество отверстий 27. Заданное количество воздуха направляется в канал 14 при помощи элемента 17. Охлаждающий воздух принудительно направляется выше по течению при помощи блокировочного кольца 40, которое расширяется и входит в контакт с блоком камеры сгорания 10 в условиях тепловой нагрузки. Охлаждающий воздух проходит в направлении выше по течению через сходящуюся и расходящуюся секции первого участка 45 канала 14, а затем выходит во второй участок канала 14 через отверстия 28 в трубке Вентури 11 и в блоке камеры сгорания 10. Охлаждающий воздух затем заполняет камеру, созданную при помощи полного бандажного кольца 16. За счет падения давления и увеличения температуры, что происходит на всем протяжении пути охлаждения, питающий воздух, который имеет повышенное давление, вводится в бандажную камеру 16 через множество отверстий 32. Охлаждающий воздух проходит вокруг множества элементов 18, которые расположены по всей бандажной камере 16 и служат для поддержки бандажа под давлением. Охлаждающий воздух затем вводится в камеру предварительного смешения через отверстия 22 и пазы 29 в блоке камеры сгорания 10. Неблагоприятная утечка между каналом охлаждения 14 и камерой предварительного смешения 12 не возникает благодаря наличию передней опоры 19, которая прикреплена к блоку камеры сгорания 15 и к трубке Вентури 11. Остаток охлаждающего воздуха, который не вводится в канал 14 через отверстия 27, проходит над элементом 17 в направлении выше по течению и поступает в блок камеры сгорания 10 или в головку 15. Этот воздух вводится через множество местоположений, расположенных впереди от бандажной полости 16.The present invention also provides a method for improved cooling of a combustion chamber and a venturi, whereby the air used for cooling can increase the efficiency of the combustion process itself and reduce NOx emissions. As for the flow of air, cooling air enters the external channel 14 of the venturi through many holes 27. A predetermined amount of air is directed into the channel 14 by means of element 17. The cooling air is forced upstream by means of a locking ring 40, which expands and enters contact with the block of the combustion chamber 10 under thermal load. The cooling air flows upstream through the converging and diverging sections of the first section 45 of the channel 14, and then enters the second section of the channel 14 through the openings 28 in the venturi 11 and in the block of the combustion chamber 10. The cooling air then fills the chamber created by a full retaining ring 16. Due to the pressure drop and the increase in temperature that occurs throughout the cooling path, the supply air, which has an increased pressure, is introduced into the retaining chamber 16 through a plurality of openings 32. Cooling giving the air flows around a plurality of elements 18 that are arranged across the shroud chamber 16 and serve to support the pressure bandage. Cooling air is then introduced into the pre-mixing chamber through openings 22 and grooves 29 in the block of the combustion chamber 10. An adverse leak between the cooling channel 14 and the pre-mixing chamber 12 does not occur due to the presence of the front support 19, which is attached to the block of the combustion chamber 15 and to the venturi 11. The remainder of the cooling air, which is not introduced into the channel 14 through the openings 27, passes over the element 17 in the direction upstream and enters the block of the combustion chamber 10 or into the head 15. This air is introduced through many set of locations disposed forward of the shroud cavity 16.

За счет использования предложенного способа, в соответствии с которым изменяют направление движения воздуха, который используют для охлаждения и подают для сгорания, понижается соотношение компонентов топливовоздушной смеси, что позволяет обеспечить снижение выбросов NOx, однако без создания нестабильного пламени.Through the use of the proposed method, in which the direction of movement of the air used for cooling and supplied for combustion is changed, the ratio of the components of the air-fuel mixture is reduced, which allows to reduce NOx emissions, but without creating an unstable flame.

Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки формулы изобретения.Despite the fact that a preferred embodiment of the invention has been described, it is quite clear that specialists and experts in this field can make changes and additions that do not, however, go beyond the scope of the claims.

Claims

1. The block of the combustion chamber, intended for use with a gas turbine engine, comprising a pre-mixing chamber designed to mix fuel and air, and a combustion chamber designed to burn fuel and air, communicating with each other through a venturi, the combustion chamber and the venturi the wall with the formation of the channel for the flow of cooling air, in the specified wall and the wall of the mixing chamber made at least one hole for the passage of cooling air, characterized in that the said channel in the downstream end of the combustion chamber is blocked by a blocking ring that prevents the flow of cooling air located in this section of the channel directly into the combustion chamber and has fluid communication with at least one hole in the wall of the mixing chamber, this cooling air, heated by cooling the venturi, leaves the channel into the premixing chamber.

2. The block of the combustion chamber according to claim 1, characterized in that it further comprises an annular retaining wall surrounding the mixing chamber in the area of the openings for the passage of cooling air into the specified chamber and forming an air cavity communicating with the wall of this chamber in communication with the specified channel for the passage of the cooling air.

3. The block of the combustion chamber according to claim 2, characterized in that it further comprises a plurality of holes in the wall surrounding the combustion chamber, which serve to introduce cooling air.

4. The combustion chamber unit according to claim 3, characterized in that it further comprises a plurality of holes in the wall surrounding the venturi, which serve to introduce cooling air.

5. The combustion chamber unit according to claim 2, characterized in that it further comprises a plurality of holes in the wall of the mixing chamber located in the zone of the air cavity formed by the retaining wall.

6. A method of cooling a venturi in a block of a combustion chamber for a gas turbine engine, including a pre-mixing chamber for mixing fuel and air, and a combustion chamber for burning fuel and air, the pre-mixing chamber communicating with the combustion chamber through a venturi by passing cooling air through a channel formed by the wall of the venturi and its surrounding wall, characterized in that they block the passage of cooling air from the specified the analyzer into the combustion chamber, while the cooling air enters the specified channel through at least one hole in the wall surrounding the wall of the venturi, flows along the wall of the venturi, cooling them, and enters through at least one hole in the chamber pre-mixing.